Analyse Inhomogénéité mélange dans un dispositif microfluidique par Microscale Schlieren Technique

Bioengineering

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Sun, C. l., Hsiao, T. h. Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique. J. Vis. Exp. (100), e52915, doi:10.3791/52915 (2015).

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Abstract

Dans cet article, nous introduisons l'utilisation de la technique de micro-schlieren pour mesurer le mélange inhomogénéité dans un dispositif microfluidique. Le système schlieren microscopique est construit à partir d'un Hoffman contraste de modulation microscope, qui offre un accès facile à l'arrière plan focal de l'objectif, en retirant la plaque à fente et le remplacement du modulateur avec un couteau. Le principe de fonctionnement de la technique strioscopique microscopique repose sur la détection de déviation de la lumière provoquée par une variation d'indice de réfraction de 1 à 3. La lumière déviée soit échappe ou est obstrué par le couteau pour produire un brillant ou une bande sombre, respectivement. Si l'indice de réfraction du mélange varie linéairement avec la composition, la variation locale de l'intensité lumineuse dans le plan d'image est proportionnelle au gradient de concentration normale à l'axe optique. L'image de la micro-schlieren donne une projection en deux dimensions de la lumière produite par inhomogénéité perturbé tridimensionnel.

Pour réaliser une analyse quantitative, on décrit une procédure d'étalonnage qui mélange deux fluides dans un microcanal-T. Nous réalisons une simulation numérique pour obtenir le gradient de concentration dans le T-microcanaux qui est étroitement corrélée avec l'image de micro-schlieren correspondante. Par comparaison, une relation entre les lectures d'échelle de gris de l'image de la micro-Schlieren et les gradients de concentration présentées dans un dispositif microfluidique est établie. En utilisant cette relation, nous sommes en mesure d'analyser l'hétérogénéité de mélange de l'image de micro-Schlieren associé et de démontrer la capacité de la technique de schlieren microscopique avec des mesures dans un oscillateur microfluidique 4. Pour les fluides optiquement transparents, technique schlieren microscopique est un outil de diagnostic attrayant pour fournir de l'information instantanée plein champ qui conserve les caractéristiques tridimensionnelles du processus de mélange.

Introduction

Mélange de fluides est une question importante qui se trouve dans de nombreux processus industriels et les systèmes biologiques. Avec l'émergence de la microfluidique, mélange dans microscopique a apporté beaucoup d'attention en raison de son défi dans la domination de diffusion parmi les mécanismes de transport de masse. Depuis la conception d'une validation quantitative Micromélangeur efficace requise, plusieurs méthodes de mesure ont été développés 5-7. Néanmoins, la structure en trois dimensions, on trouve couramment dans micromélangeurs efficaces 5, exige une représentation plus précise du champ de concentration que les techniques courantes de mesure ne parviennent pas à délivrer. En raison de la limite d'angle de vision 8 ou cinétique de réaction 6, les méthodes mentionnées ci-dessus peuvent produire des résultats trompeurs qui ne représentent pas correctement pour l'homogénéité du mélange.

Pour les fluides optiquement transparents mélange dans optiquement transparents microstructures, micro-technique schlieren 3,9-14 9-13, 15 ou phase de gradient 16. Microscale technique schlieren bénéficie à la fois une mise en page simple et optique haute sensibilité et permet non seulement l'enquête non-invasive de fonctionnalité de flux spécifique qui provoque une perturbation optique, mais est bien adapté pour une utilisation dans l'évaluation de mélange. Dans cet article, nous construisons le système schlieren microscopique en insérant un couteau dans le plan focal arrière de l'objectif d'un microscope, décrire une procédure d'étalonnage pour réaliser l'analyse quantitative, et de signaler une mesure de validation dans un oscillateur microfluidique 4. Pour mettre en œuvre les mesures, les fluides de travail sont correctement choisies de manière que l'indice de réfraction des fluides mélangés varie linéairement avec la composition et l'épaisseur du dispositif microfluidique cible est identique à la sure lors de l'étalonnage. En outre la concentration de l'espèce, de la technique strioscopique microscopique peut être étendue à mesurer la pente de l'autre quantité scalaire qui est linéairement corrélée à l'indice de réfraction, tels que la température ou la salinité.

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Protocol

1. La fabrication de dispositif microfluidique

  1. Utilisez un logiciel de mise en page graphique (par exemple, AutoCAD) pour dessiner le contour d'un T-microcanaux. Pour la T-microcanal, les deux canaux d'alimentation sont de 90 um de large et 2500 um de long, et le canal de confluence est de 180 um de large et 3000 um de long. Connectez l'autre extrémité de chaque canal à un cercle individuel avec un diamètre de 1,100 um.
  2. Mark «claire» et «sombre» pour l'exposition et les zones couvertes, respectivement. Pour une résine photosensible négative (par exemple, SU-8), la forme de la T-microcanaux est «clair» et de ses environs est «sombre».
  3. Utiliser un générateur de motifs laser avec une longueur d'onde de 442 nm et une taille de caractéristique minimum de 2 um à transférer le motif de la T-microcanal sur un masque photographique en chrome sur verre.
  4. Utilisez le photomasque, un substrat (par exemple, un seul côté poli tranche de silicium) et une résine photosensible époxy permanente (par exemple., SU-8) pour faire un moule à travers un processus de lithographie standard. La couche de résine photosensible est de 55,2 um d'épaisseur. En général, l'épaisseur de la résine photosensible doit être plus mince que la profondeur de corrélation de la lentille d'objectif 17 à 19.
  5. Utilisation du moule et un matériau transparent tel que le polydiméthylsiloxane (PDMS) pour fabriquer le microcanal T-20.
  6. Pour le raccordement fluidique, utiliser un tube de 2 mm en acier inoxydable de diamètre extérieur pour percer des trous traversants alignés sur les motifs circulaires sur les PDMS.
  7. Traiter les surfaces des PDMS et d'une lame de verre avec un plasma d'oxygène à 60 W pendant 30 s. Fixez les PDMS à la lame de verre. Les surfaces oxydées des deux matériaux créent un lien fort. Placez la structure PDMS lié sur une plaque chauffante pendant 5 min à 120 ° C.
  8. Insérez tubes en téflon dans les trous percés pour connexion fluidique.

2. Installation expérimentale

  1. Construire le système de schlieren microscopique d'un Hoffman modulation microscope à contraste en retirant la plaque à fente dans le plan focal avant du condenseur et le remplacement du modulateur avec un couteau dans le plan focal arrière de l'objectif 5X 3. La profondeur de corrélation, qui dépend de l'ouverture numérique de l'objectif 17 à 19, devrait être suffisante pour couvrir toute la profondeur du dispositif microfluidique. La surface de la lame de couteau est noirci par l'oxyde d'aluminium anodique pour réduire sa réflectivité.
  2. Montez la caméra haute vitesse au tube trinoculaire du microscope via un adaptateur de monture C. Ayant l'appareil face au chemin optique du microscope à travers un séparateur de faisceau. Branchez l'appareil photo à un ordinateur de bureau via un câble Ethernet. Réglez la correction de gamma à 1 pour la caméra de telle sorte que son affichage en échelle de gris est proportionnelle à la luminance d'entrée.
  3. Allumez la source de lumière. Afin d'éviter l'excès de chaleur, utiliser LED (diode électroluminescente).
  4. Utilisez un logiciel de traitement d'image (par exemple, </ Em> fonction imread dans MATLAB) pour obtenir les valeurs de gris d'une image acquise. Retirez le couteau, régler l'éclairage, l'ouverture et le temps d'exposition afin que la lecture en niveaux de gris moyen de l'image est d'environ 10% inférieure à la valeur maximale. Cela dénote l'intensité de fond pour un seuil de 0% et nous utilisons une valeur de 230 pour une image de 8-bit.
  5. Insérez le couteau pour bloquer la lumière incidente complètement. Notez la lecture de niveaux de gris moyen de l'image. Ceci représente l'intensité d'arrière-plan pour une coupure à 100% et la valeur est d'environ 15 pour une image de 8 bits.
  6. Ajustez la position du couteau de sorte que la lecture en niveaux de gris moyen de l'image acquise se trouve au milieu des valeurs pour 0% et 100% coupure. Maintenant, le degré de la fréquence de coupure est réglée sur 50%.
  7. Préparer deux fluides transparents avec des indices de réfraction connus 21 qui sont complètement miscible avec l'autre que les électeurs. Pour évaluer la dépendance des ind réfractionex sur la concentration du mélange, vérifiez la littérature 21 ou utilisez l'équation Gladstone-Dale 22. Si la courbe est non linéaire sur toute la plage, choisissez d'autres composants fluides. Ensuite, pour choisir une composition désignée ci-après dont l'indice de réfraction de la solution varie de façon linéaire avec la concentration. Par exemple, utiliser diluer l'éthanol aqueux avec une fraction de masse de 0,05 et de l'eau que les fluides de travail.
  8. Mettez le T-microcanaux sur la scène de l'échantillon. Disposer le T-microcanaux sorte avec le canal parallèle à la confluence couteau (Figure 1).
  9. Préparer deux seringues identiques: Une seringue est remplie avec le fluide de travail qui sert de fluide de référence (l'eau) et B seringue est remplie avec l'autre fluide de travail (diluer l'éthanol aqueux). La taille de la seringue dépend de la Q de débit souhaité et la spécification de la pompe à seringue: nD = Q 2 V / 4, d étant le diamètre intérieur de la syringe et V est la vitesse du piston. Flux de pulsation peut habituellement être évité en choisissant une petite seringue 23 V à augmenter.
  10. Recueillir le fluide de sortie à partir de la T-microcanal dans un bêcher. Assurer le tube de sortie est fixé en Téflon sur le mur de la bêcher et son extrémité est en dessous du niveau de liquide dans le récipient afin d'éviter des vibrations qui pourraient être causés par des gouttelettes sécable.

3. Calibration

  1. Acquérir les images des deux fluides de mélange et les images de référence.
    1. A un nombre de Reynolds donné Re, fixer le taux des pompes à seringues de débit, Q. Q est calculée à partir de Q = μ (W + D) Re / 4ρ, où μ et ρ sont la viscosité et la densité du fluide de travail, et W et D est la largeur et la profondeur du canal de confluence de la T-microcanal, respectivement.
    2. Chargez une pompe avec seringue A et l'autre pompe avec syRinge B. Connectez les deux entrées de la T-microcanaux à seringue A et B via seringue Teflon tube. Démarrer les pompes à seringue à délivrer des fluides de travail dans le T-microcanal identiques à des débits en volume.
    3. Attendez jusqu'à ce flux constant établit. L'état de flux constant est défini par l'émergence d'un modèle schlieren stationnaire.
    4. Utilisez le logiciel de la caméra contrôlée pour enregistrer vingt cadres de mélange fluide à une vitesse de 30 ips.
    5. Arrêter la pompe qui est chargé avec une seringue B. Seulement pomper le fluide de référence (de l'eau) par une entrée dans le canal de confluence de la T-microcanaux à taux constant.
    6. Attendez jusqu'à ce que l'état de flux constant est atteint et aucun modèle schlieren est observée.
    7. Utilisez le logiciel de la caméra contrôlée à prendre l'image de référence, en l'absence de non-homogénéité optique est présent dans le T-microcanaux. Enregistrez vingt images à une vitesse de 30 ips.
    8. Répétez 3.1.1 à 3.1.7 au différent nombre de Reynolds: Re = 1, 5, 10, 20 et 50 de sorte que pas de structure complexe d'écoulement débouche dans la zone de confluence de la T-24 microcanal.
  2. Utilisez un logiciel de traitement d'image pour diviser l'image acquise I (i, j) par l'image de référence I 0 (i, j) 25,i et j sont les indices de pixels.
  3. Employer un paquet CFD (Computational Fluid Dynamics) pour simuler le mélange des fluides désignés dans le T-microcanaux.
    1. Construire le modèle en trois dimensions de la géométrie de la T-microcanal. Discrétiser le domaine de l'écoulement dans les réseaux structurés. Pour augmenter la précision, employer maille plus fine dans la confluence et la région centrale du T-microcanal.
    2. Affecter les propriétés physiques des fluides et d'établir les conditions aux limites du domaine d'écoulement. Au cours du processus de résolution, déterminer le coefficient de diffusion dépendant de la concentration de la concentration obtenue lors de la dernièreitération 26 afin de mettre à jour la concentration locale.
    3. Examiner les sensibilités des résultats calculés en effectuant l'étude de la grille 27.
  4. Pour chaque nœud (x i, y i) sur la Plane xy, emploie l'outil de post-traitement CFD à prendre les valeurs moyennes du champ de concentration à travers la profondeur du canal par la règle du trapèze: w (x i, y j) = {Σ k [w (x i, y j, k z) + w (x i, y j, z k +1)](z k 1 - k z) / 2} / D 28,D est la profondeur du canal. Utilisez le schéma de différenciation centrale pour calculer la derivative de la concentration par rapport à la direction transversale de flux: (∂ w / ∂ y) i, j = [w (x i, y j +1) - w (x i, y j -1)] / (y j 1 - y j -1).
  5. Pour les deux gradients positifs et négatifs, extraire le rapport des valeurs d'échelle de gris I / I 0 (obtenu en 3.2) et le gradient de fraction massique w ∂ / ∂ y (obtenu dans 3,4) à des emplacements spécifiés, tels que y = 0 (ligne centrale, par fractions direction) ou diverses x donné (direction transversale de flux).
  6. Tracer les résultats et de déterminer la relation entre I / 0 et ∂ w / ∂ y, I / 0 1 ∂ w / ∂ y + C 2 (C 1 et C 2 sont des constantes), avec une régression linéaire.

4. Quantification

  1. Répétez les étapes 03.01 à 03.02 pour le mélange dans le dispositif microfluidique cible. La profondeur du dispositif microfluidique de la cible doit être identique ou proche de celle de la T-microcanal. Si phénomène instable est prévu, d'acquérir un clip vidéo (séquence d'images) à l'étape 3.1.4 à la place. Le taux de trame devrait être suffisant pour résoudre la dynamique de l'écoulement transitoire clairement élevé, tandis que le temps d'exposition doit être identique à la valeur utilisée dans 2.4, 2.5, 3.1.4 et 3.1.7.
  2. Utilisation de la relation obtenue à l'étape 3.6 pour convertir le rapport des valeurs de niveaux de gris au gradient de fraction de masse dans le dispositif microfluidique cible.

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Representative Results

Le rapport en niveaux de gris I / 0 nombre de Reynolds sous différents pour les deux gradients positifs et négatifs de la fraction de masse est représenté (Figure 2) avec une bande symétriques apparaissant dans le milieu de la T-microcanaux. A faible nombre de Reynolds, la queue de la bande schlieren agrandi et floue en raison de la dispersion à travers l'interface de mélange. Comme le nombre de Reynolds augmente, la longueur de diffusion raccourcit menant à une bande plus étroite. À différents endroits situés en aval, les variations du changement d'intensité ΔI / I 0 le long de la direction transversale de flux sont représentés quantitativement (Figure 3). Les résultats du processus d'étalonnage sont représentés (figure 4A et 4B). La relation entre I / I 0 et ∂ p / ∂ y est linéaire et indépendante de la num Reynoldsbre. De l'analyse de régression, I / I 0 = -110 ∂ w / ∂ y + 1,03 pour ∂ w / ∂ y> 0 et I / I 0 = -160 ∂ w / ∂ y + 0,83 pour ∂ w / ∂ y <0 , ∂ w / ∂ y est dans um -1. Les incertitudes relatives sont de ± 3,8% ± 3,2% et dans la figure 4A et 4B, respectivement. La limite de détection est atteint lorsque les points de données se stabilisent. Il est à noter que l'écart dans les pentes des gradients positifs et négatifs est pas rare 3. En utilisant ces équations, la variation du gradient de fraction de masse en fonction du temps dans un oscillateur 4 microfluidique est considéré (Figure 5). L'interface de mélange est déviée dans la région de la cavité et l'écoulement instabilité commences. Cette figure montre clairement vidéo de la nature de l'écoulement oscillant à l'oscillateur micro-fluidique et démontre la capacité de la technique de Schlieren microscopique pour capturer le plein champ gradient de concentration en temps résolu dans un dispositif microfluidique.

Figure 1
Figure 1. Représentation schématique de la configuration optique. L'orientation de la lame de couteau produit une bande sombre avec un gradient d'indice de réfraction positif. La lumière dévie dans la direction de l'augmentation d'indice de réfraction. Parce que l'objectif inverse l'image, le blocage de la - région y protège la lumière déformée et produit une bande sombre.

Figure 2
Figure 2. Ratio des lectures de niveaux de gris pour mélanger dans le T-microcanaux unde r la configuration des flux différents. positifs et négatifs gradients résultent dans les bandes sombres et claires, respectivement. Comme le nombre de Reynolds augmente, la bande devient plus concentrée.

Figure 3
Figure 3. La variation de la variation d'intensité le long de la direction transversale de flux pour des gradients à la fois positifs et négatifs. Re = 1 et Re = 5.

Figure 4
Figure 4. Relation entre le gradient de la fraction de masse et le rapport en niveaux de gris. Pour les dégradés à la fois positifs et négatifs, le ratio de gris varie linéairement avec le gradient de fraction de masse.

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Figure 5 (vidéo figure). Évolution de la masse gradient de fraction dans un oscillateur microfluidique à Re = 250. La caractéristique de mélange par l'oscillation d'écoulement est capturé avec succès par la technique de micro-Schlieren.

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Discussion

Pour un mélange fluide dans un dispositif microfluidique, la technique schlieren microscopique est capable de mesurer l'ampleur du gradient de concentration à travers la quantification du changement de l'intensité lumineuse. Étant donné que le principe de cette technique repose sur la détection de l'alternance de propagation de la lumière, les fluides de travail et le dispositif microfluidique doivent être transparentes à la lumière incidente. En outre, le protocole nécessite une relation linéaire entre l'indice de réfraction de la solution et sa composition de sorte que l'évaluation préliminaire des fluides de travail est essentielle. Outre solution aqueuse d'éthanol démontré ici, technique schlieren microscopique est appliquée avec succès pour mesurer gradient de salinité 29 et convection solutocapillary 30. Pour des mesures précises, plage d'ouverture, le niveau d'éclairage, temps d'exposition, objectif et la profondeur de microcanaux utilisés dans la procédure d'étalonnage doivent être identiques à ceux utilisés dans la procédure de quantification. En outre, la profondeur de corrélation de la lentille d'objectif doit être suffisamment large pour couvrir toute la profondeur du dispositif microfluidique.

Procédé d'étalonnage de mélange dans le microcanal-T est l'étape la plus critique de la quantification précise de la technique de Schlieren microscopique. Pour la mise en œuvre réussie de la méthode proposée, les utilisateurs ont besoin pour aligner le raccord du tube correctement, exploiter une petite seringue ou pneumatique pour la livraison de liquide pour éviter l'oscillation d'écoulement 23, utilisez une source de lumière LED pour réduire l'excès de chaleur, effectuer la procédure d'étalonnage à faibles nombres de Reynolds 24, et placez le dispositif microfluidique mise au point pour éliminer les effets optiques d'ordre supérieur 31. Le plus bas gradient mesurable (le dessin lumineux, ∂ w / ∂ y <0) est lié à la dynamique de la caméra, tandis que le plus haut gradient mesurable (fond sombre, ∂ w / ∂ y> 0) est atteinte lorsque la lame de couteau bloque complètement la lumière déviée. Pour détecter une large gamme de gradient de concentration, une valeur ISO élevée est avantageuse aussi longtemps que la sous-exposition ou de surexposition ne se produit pas. La limite de détection, en dessous de laquelle le système schlieren micro est incapable de discerner, dépend de la variation de l'intensité minimale que l'appareil est en mesure de résoudre. Le changement d'intensité minimale est limitée par le degré de bruit et les niveaux de gradation tonale. Ainsi, une caméra haute sensibilité avec une grande profondeur de pixel est souhaitée pour une application à faible signal.

L'importance de la technique schlieren microscopique est deux plis; d'une part, il permet des mesures-plein champ instables en temps réel avec une configuration optique simple. D'autre part, il est non-invasive de sorte qu'aucune substance étrangère est introduite à perturber le champ d'écoulement. Étant donné que la technique strioscopique produit micro-projection en deux dimensions de l'inhomogénéité à trois dimensions dans un microfDispositif luidic, phénomène de mélange complexe qui reste voilé par les méthodes existantes peut être clairement vu. Les futures applications de cette technique comprennent quantifier les gradients de concentration pendant un procédé électrochimique ou déterminer gradient de nutriment étudier chimiotaxie microbienne dans un environnement de micro débit.

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Disclosures

Les auteurs ont rien à révéler.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par le Ministère de la Science et de la Technologie de Taiwan sous le numéro 101-2221 Grant-E-002-064-MY3.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Permanent Epoxy Negative Photoresist MicroChem SU-8 2150
single side polished silicon wafer Light Technology S4W1PP5SABUP1 p-type,
diameter: 100±0.5 mm, thickness: 525±25 mm, orientation: (1 0 0)
syringe pump kdScientific kds210
syringe, i.e. 10 ml Terumo SS-10L2138
Hoffman modulation contrast microscope Leica Microsystems DM IL LED
5X objective lens Leica Microsystems N PLAN NA = 0.12
knife-edge custom made part
camera, i.e. high speed Integrated Design Tools NX7-S1
C-mount adapter HC 0.63x Leica Microsystems 541537
camera operating software Integrated Design Tools MotionPro X Studio 2.02.01
polydimethylsiloxane (PDMS) Dow Corning Sylgard-184 silicone elastomer kit
Teflon tubing, i.e. O.D. x I.D. 1/16 in. x 0.031 in. Supelco 58700-U
micro glass slide Matsunami Glass S2215
hot plate Yeong-Shin HP-303DN
distilled water, i.e. HPLC grade Alps Chemicals
ethyl alcohol, i.e. reagent grade Nihon Shiyaku Reagent EA448652
image processing software Mathworks MATLAB R2009a
computational fluid dynamics package ESI group CFD-ACE+ 2008

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